Superpočítání pro průmysl www.it4i.cz

Model spalování uhlí

Řešeno ve spolupráci se společností Vítkovice ÚAM.logo

Energetika je stále jedno z nejvýznamnějších průmyslových odvětví. Klasická energetika je založena na spalování fosilních paliv, jako je černé a hnědé uhlí, zemní plyn apod. V současnosti je kladen důraz zejména na snižování emisí CO a NOx a celkové zvýšení účinnosti spalování. Návrh a vývoj nízko emisních hořáků je v dnešní době možné úspěšně realizovat pouze s využitím moderních výpočetních metod CFD.

CFD simulace umožnují vytvořit model, který simuluje proces hoření a to jak proces hoření paliva, tak i proces formování a produkce polutantů, jako CO, NOX SO2, SO3 apod. Model spalování uhlí je založen na kombinaci Eulerova a Lagrangeova přístupu. Lagrangeův model řeší trajektorie částic paliva (uhlí). Eulerův model řeší směs plynů, které jsou součástí spalin, respektive spalovacího vzduchu.

Samotný proces popisující hoření je rozložen do několika základních kroků. Nejprve je z částice paliva odpařena voda současně s prchavou hořlavinou. Přičemž prchavá hořlavina je směs CH4, H2, CO a H2O. Uvolňování prchavé hořlaviny je popsáno multifázovou chemickou reakcí, kdy výchozí materiál je tuhá látka (surové uhlí) a produkty jsou prchavá hořlavina a tuhý zbytek. Tuhý zbytek pak přímo reaguje s kyslíkem za vzniku CO a CO2, přičemž poměr CO/CO2 je dán další multifázovou chemickou reakcí. Reakce plynných látek jsou popsány standardními chemickými reakcemi, u kterých je kinetika popsána Arrheniovým zákonem. Tento základní model spalování je možné doplnit o model produkce NOx a dále model produkce SOx. Oba tyto modely v podstatě rozšiřují reakční schéma, do kterého se zahrnují radikály související se vznikem daných polutantů.

Model tvorby  je obecně rodělen na tři submodely, kdy každý z modelů řeší jeden z procesů tvorby NOX, jedná se o 1) palivové NOX, 2) promptní NOX, 3) termické NOX.

Produkce termických NOX je dominantně závislá na teplotě a je známa z rozšířeného Zeldovichova mechanizmu. Reakční rychlosti u těchto reakcí jsou dány rovnicemi, které byly získány na základě celé řady studií a jsou všeobecně ověřeny. Jelikož výše jmenované reakce mohou probíhat v obou směrech, je nutné definovat rovněž rychlost reakce v obou směrech.

Produkce promptních NOX probíhá v oblasti, kde jsou spalovány uhlovodíky. Tvorba promptních NOX je tak závislá na lokální koncentraci uhlovodíků, které produkují radikál HCN.

Produkce palivových NOX je dána pouze obsahem N2, který je vázán v různých chemických sloučeninách v palivu. Dusíkový radikál, který je obsažen v palivu může být NH3 nebo HCN, případně je možné využít oba materiály. Jelikož prvním krokem je uvolnění dusíkaté sloučeniny z paliva, je nutné tento děj popsat pomocí multifázové reakce.

Model tvorby SOx je popsán mechanizmem, který byl navržen Kramlichem. Tento mechanizmus obsahuje 20 reverzibilních reakcí a obsahuje 12 látek. Celý tento proces byl redukován tak, aby byl v praxi aplikovatelný. Radikály obsažené v palivu jsou SO a H2S. Produkce těchto dvou radikálů je opět popsána multifázovou reakcí, protože jsou přímo uvolňovány z paliva. Následně již radikály reagují dalšími plynnými látkami dle Kramlichova reakčního schématu.

Fig_01  Fig_02

Partneři